作为一个独立存在的技术，虚拟现实显然与其它的技术有所不同；但作为一个新涌现的技术，它又不免与己存在的技术有种种牵连。与虚拟现实最相近的技术是人机界面；但虚拟现实又与后者有着明显的不同之处，也即虚拟现实有其自己的特征。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、自主性和多感知性等四个重要特征。
①沉浸性
它要求计算机所创造的虚拟环境能使计算机操作人员有“身临其境”的感觉。使操作人员相信在虚拟境界中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像真正面对客观现实世界一样。
②交互性
它是指操作者与虚拟境界中所遇到的各种对象的相互作用的能力，这种交互是三维的，用户是交互作用的主体，与虚拟客体间可进行多行为的交谈。通过虚拟现实向使用者提供的交互机制，使用者的输入(动作)可使呈现的界面(虚拟环境)发生相应的变化，这一变化将给使用者的感觉产生新的内容；后者导致使用者又做出新的输入，使虚拟环境再次发生变化；以上交互过程反复进行，直至使用者感觉到所处的虚拟环境满意为止。
③自主性
它要求用户能以客观世界的实际动作或以人类熟悉的方式来操作虚拟系统，让用户感觉到他面对的是一个真实的世界。并且虚拟环境中物体应依据物理定律动作。
④多感知性
除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有人的一切感知功能。由于传感器技术的限制，目前虚拟现实技术所能提供的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉等。
根据显示的沉浸程度，虚拟现实系统一般可以分为桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统，分布式虚拟现实系统，远程存在虚拟现实系统以及增强现实虚拟现实系统。其中，桌面虚拟现实系统和沉浸式虚拟现实系统在计算机辅助工程领域中使用较为广泛。沉浸式虚拟现实系统利用头盔显示器和数据手套，三维鼠标器等交互设备把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，使参与者暂时与真实环境隔离开来。其特点是能提供观察者“真实”的体验。常见的虚拟现实系统包括投影式虚拟现实系统和洞穴自动式虚拟环境(CAVE)又称工作室和头盔式虚拟现实系统。桌面虚拟现实系统使用个人计算机和个人工作站来实现仿真，计算机屏幕作为参与者观察虚拟环境的窗口。桌面虚拟现实系统虽然缺乏沉浸式虚拟现实系统的那种完全沉浸功能，但是它具有成本低，使用方便等特点，所以仍然受到普遍欢迎并得到更为广泛的使用。
三、虚拟现实的应用
在过去十余年中，人们一方面对它从事了基础性的研究，另一方面也为它开发了可进行实验所用的工具。虚拟现实技术及设备相对来说价格比较昂贵，但在很多专业中其回报是非常高的。根据近两年国外技术进展的分析，虚拟现实正从大学的实验室研究走出，走上认真寻找行业性应用的道路；正在从面向游戏机和主题游乐园，拓展为在工业、商业、医学和军事等领域的应用（表
①航空航天和军事
最初的军工模拟是推动VR发展的主要力量，VR的许多成功应用也正是在这些方面，如飞机驾驶模拟器、近战战术训练器、虚拟战场等。主要应用系统有：坦克训练网络、虚拟毒刺导弹训练、反潜艇作战、NASA训练系统等等。应用的目的是模拟和训练。目前，洛克希德·马丁公司正在使用虚拟现实技术，力图使联合攻击战斗机的研制周期、研制成本和生产周期均降低50％或者更多，并希望飞机的维修时间和费用也降低30％。
②工程和建筑
美国汽车城底特律的三巨头(通用汽车、福特和克莱斯勒)都在热衷地开发和发展对自己实用的虚拟环境，并将它用在汽车设计和制造上。目前取得最大成功的是虚拟放样(Virtual Prototyping)。使用虚拟放样，人们可以进入所设计的汽车的虚境，对其进行操作，极大地省钱省时。为此这三公司都不惜投资千万美元开发VR应用，福特公司一家就在三个部门建立了研究VR应用的环境。实际上，世界上主要汽车制造公司都在VR方面有所动作。因为他们都意识到，VR技术在成本和效率上极具优势，而这将有助于他们在今后的激烈竞争中取胜。从一个新产品的先期开发、一个新的汽车模型、到仿真装配汽车零件、模拟装配车间，直至企业间的虚拟合作等等。
而在建筑领域，可用它实现工业与民用建筑物虚拟仿真，一个具体的建筑物一次性仿真，可细到水龙头、电灯开关、门把手等。还可以用它设计各种建筑产品和施工设备，对施工工程的方案比较和优化大有裨益。在对于大型项目的规划、评估上的前景更是令人振奋，例如：一个大型水电站的投建、工程的优化施工、大型电力设备的设计、检修和日常维护，直到操作人员的培训等等用VR实现全方位仿真，将对业主、设计单位、建立单位、施工单位以及电厂的管理和控制带来前所未有的便利。
③医学的应用
美国医学界正在认真且迅速地将VR技术应用到这一领域中去。他们首先是将其用于外科手术方面。最初，用于手术训练(帮助熟练掌握手术操作)；随后，又用于手术策划(帮助制订最佳手术方案)；现在，已发展成用于手术实施(帮助准确及时找到病灶所在)。除了进行人体解剖仿真和外科手术外，其范围包括建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟，如用来设计各种合成药物，允许研究人员测试各种新药物特性。同时国外医学界的研究热点正在转向远程诊断和远程外科。
④科学可视化
现在，有很多物质，如红外光、微波、雷达、电磁场、在通道中流动的各种物质的数据都不是可见的；而且科学计算的数据结果通常很抽象，不便于理解和应用。利用VR技术，很容易将这些东西可视化和形象化。随着操作者的参与，随时进行各种复杂的科学计算，将计算结果所产生的数据转换成为可视的图像信息或将枯燥的数字转换为具有物理意义的、易于理解的图形信息，并可进行交互式分析。这种方式，将成为信息爆炸年代人类分析和驾驭信息的有力手段．主要应用有：力学计算分析、分子结构等。
⑤金融和娱乐
金融可视化是指将大量数据变换成图像式物质，从而使数据更易理解和分析，股票市场就是采用这种技术的主要领域。证券交易可视化、体验广告等也是VR成功地范例。
娱乐是VR的一个巨大市场，世界一些著名的娱乐城已建成VR娱乐中心，在这个环境中许多神话都已变成“现实”。主要应用有虚拟演员、虚拟博物馆、虚拟音乐、虚拟物理实验室、虚拟战争游戏。
德国弗劳恩霍费尔图解数据处理研究所
⑥教育
VR教育是一种非常有意义并已广泛开拓的市场。VR可以形象体现一个分子结构、抽象的数学方法；甚至全方位“物质”显示一个电力系统的过渡过程等。对于花费昂贵或涉及有毒有害环境的教学，虚拟现实更显示出其重要性。
表
|
领 域 |
用 途 |
|
医学 |
外科手术，远程遥控手术，身体复建，虚拟超音波影像，药物合成 |
|
教育 |
虚拟天文馆，远距教学 |
|
艺术 |
虚拟博物馆，音乐 |
|
商业 |
电传会议，电话网路管理，空中交通管制 |
|
景观模拟 |
建筑设计，室内设计，工业设计，地形地图 |
|
科学视觉化 |
数学、物理、化学、生物、古生物、考古、行星表面重建，虚拟风洞试验，分子结构分析 |
|
军事 |
飞行模拟，军事演习，武器操控 |
|
太空 |
太空训练，太空载具驾驶模拟 |
|
机械人 |
机械人辅助设计，机械人操作模拟，远程操控 |
|
工业 |
电脑辅助设计 |
|
娱乐 |
电脑游戏 |
尽管目前虚拟现实系统的应用远非完善，市场技术还很不成熟，真正商品化的应用系统也并不多见，但是，虚拟现实系统的应用却已日趋活跃，具有极大的潜在使用价值。
四、虚拟现实的开发环境及支撑技术
①硬件开发环境
系统采用分布式实时数据处理方式，要支持各种外设，每个设备都有数据的同时传送，还必须能迅速处理传递过来的信息；因而对操作系统和数据传输网络都提出了极高的要求。而且这种传输往往信息量都大，如声音、图像等，必须要有高档次的设备，当然，这也是VR系统往往投资大的原因。正由于VR对实时性的要求，所以硬件开发环境一般以工作站为主。国外有许多可用于VR的工作站，其中最值得一提的是SGI公司的图形工作站。该公司成立于1982年，是一个生产高性能计算机系统的公司，公司生产交互式三维图形、数字媒体、多处理服务器和超级计算机系统，总部设在美国加州山景城。SGI图形平台被认为是构成VR系统的最佳选择，其性能价格比高，以至于人们一谈到VR就谈到SGI。
今年8月美国SGI公司宣布将在北京设立首座由Onyx 300系列组成的虚拟现实中心，帮助现有和未来在高端可视化领域的客户亲身感受虚拟现实技术带来的立体的、交互的、动感的梦幻感觉，让他们“实地”考察澳大利亚大宝礁的神奇海底风光、只身探索浩瀚宇宙的无尽奥妙和微观原子世界的独特结构、目睹世界名车设计和生产的每一个细微过程，领略漫游古代遗迹所带来的神秘。在全球可视化领域，无论从能源到制造，还是从科研到城市规划和古迹复原，无不显示着SGI公司虚拟现实技术带来的震撼。在中国建立的首座虚拟现实中心将更好地帮助SGI向国内用户提供更加完善的技术支持和售后服务。设立在北京的SGI虚拟现实中心由8个SGI Onyx 300系列构成，并采用Christie投影技术，对高度复杂的数据进行可视化处理，通过三维数字景象及模型实现对现实的虚拟。Onyx系列服务器专门为可视化超级计算而设计，是业界唯一既可以用于超级计算，又可以实时处理三维图像、图形和视频数据的超级计算机。SGI 的虚拟现实整体解决方案允许实时、交互、地分析高分辨率、随时间变化的数据集，能够让人们直观地观察、精确地分析各变量之间的关系，避免真实环境中可能遇到的危险，因不可行的方法而导致的高昂费用，从而实现协同决策，快速洞察复杂的问题，提高项目分析、设计、施工和测试的效率，以降低生产成本、加快产品上市时间，从而提供企业竞争力。
②软件开发平台
硬件是基础，软件是核心。虚拟现实软件的主要任务是设计参与者在一种虚拟境界中会遇到的景和物。像VR这种以三维图形为主的复杂系统，如果一切都从基础工作做起，其软件的工作量大到不可思议，而且也无此必要。利用现有开发平台可以大大提高效率。
利用虚拟现实工具包，可将三维物体与虚拟境界组合在一起，并赋予它们某些特性。工具包中含有一些预先编写好的程序库，这些工具包的基础是模块化方法，用户在编程时可以用不同的模块去开发各种虚拟现实应用程序，产生各种虚拟境界。
典型的虚拟现实开发平台有：
1）由Superscape公司开发的VRT系统；
2）由Sense8公司开发的WTK(World Tool Kit)系统，它是用C语言开发的面向对象的VR开发函数库，可运行于包括PC机在内的各类硬件平台；
3）由SGI公司开发的PerFormer2.1和Provision系统，因为它本身有SGI的图形工作站技术作坚强后盾，对其SGI的多CPU系统有最充分的利用和支持。所以，具有很好的VR性能，其系统可产生60帧／s的图像速度，对于缺帧图贴有很好的平滑算法。另外，此公司的SGIVRML语言(ViSual Reality Moduling Language)是一种网络(internet／intranet)上使用的描述三维环境的场景描述语言，其WebFORCEorigin2000可对WWW提供一种高性能的支持。
4）由MultiGen公司开发的MultiGen II，这是非常成熟和出色的三维建模软件，可用于三维视觉数据的建立和编辑。MultiGen系统的模块化设计可以满足用户不同应用的要求，它的数据库格式Openflight已成为飞行模拟领域的标准，为VR系统广泛采用。
5）由Dassault Systemes(达索系统集团)整合旗下Deneb，Delta和Safework三家软件公司的解决方案而合并组成的e-Manufacturing软件公司DELMIA，提供了以生产工艺过程为中心的最全面的数字制造方式与解决方案。可全面满足制造业中按订单生产和精益生产等分布式敏捷制造系统的数字仿真需求。Delmia软件秉承了1985年成立的Deneb Robotics公司软件的优异仿真性能。其e-Manufacturing解决方案在虚拟样机设计及虚拟制造交互式仿真、机器人应用仿真及离线编程、虚拟工厂等方面处于世界领先地位。
③支撑技术
实现虚拟现实将采用以下的支撑技术：传感器技术、执行器技术、实时3D计算机图形学、景色产生技术、VR软件开发技术、VR系统集成技术，当然，还包括：系统工程、仿真技术、人工智能等等。其中，主要的支撑技术除了前两项而外，其它技术均可算是计算机技术中的分支，所以也可概括地说，虚拟现实的支撑技术有三，即计算机技术、传感器技术和执行器技术。
五、系统仿真技术
仿真技术是对系统动态模型的一种实验手段,在安全性和经济性方面有较大的优越性,使其广泛地被航空、航天、军事、电力、交通等行业采用,在化工、煤炭、冶金等方面也有较好应用。
所谓“仿真”，或称计算机仿真(Computer Simulation，以下简称CS)，就是构造出一个“模型”（包括实际模型和虚拟模型）来模仿实际系统内所发生的运动过程，这种建立在模型系统上的试验技术称为仿真技术，或模拟技术。它具有经济、安全可靠、试验周期短等特点。它是建立在系统工程、计算机科学、控制工程等学科基础上的，以概率论与数理统计为基础的学科。
它应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，它在模型上进行试验，不会干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，而且安全可靠。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。
仿真技术的应用已有多年的历史，在军事、航空、机械、建筑、石化等众多工程领域已经有了广泛的应用，并渗透于工程系统研究的各个阶段，取得了良好的经济效益。那么虚拟建造与传统的建造仿真有何联系又有何区别呢?
就仿真的本质而言，其核心组成部分只是一个计算、调度的过程。仿真并不一定需要表现过程，只要通过对模型的计算最后给出一系列的数据即可，这就是数值仿真(Numerical Simulation)。其优点是对设备要求不高，运算速度快，但不直观，不易验证仿真程序的对错。
为数值仿真的过程及结果增加文本提示、图形、图像、动画表现，可使仿真过程更直观，结果更容易理解，并能够验证仿真过程是否正确．这种仿真被称为可视化仿真(Visual Simulation)。在此基础上再加入声音，就可得到狭义上的多媒体仿真。一般多媒体仿真系统具有表现视、听的功能，但不一定具有三维界面(有些具有三维界面，但一般是静态的，不能自由变换视角)，不具备交互功能，不支持触、嗅、味知觉。如果再加入上述功能，就得到了VR仿真系统。当然，一个系统只要具有三维界面，具有交互功能，并且能够在三维模型中自由转换视角，就可称为是基本的VR系统。
由此可见，仿真是对真实物理系统在某一层次上的抽象，所以从都是模型真实环境的关系这一点看，计算机仿真技术与VR技术有一定的相似性，但在多感知性方面，当前的CS技术大都还以数据报表为主，可视性不强。从存在感方面，CS基本上将用户视为旁观者，也不具有交互式的现实性。可是VR作为仿真的发展趋势，其概念间的区别必将逐渐模糊。
虚拟建造需要仿真技术，而且广泛地采用了仿真技术。没有仿真技术，不通过仿真建模和设计仿真算法，就不可能实现方案的优化选择，虚拟建造也就失去了其存在的价值。但是，虚拟建造是建造仿真技术的进一步发展。虚拟建造将仿真成果表现得更为充分和具体，将仿真过程的操作变得更简单易行。以前仿真系统的建立和分析都需要专业的仿真人员进行，而矛盾在于仿真工程师不懂得他所进行仿真的专业知识；而专业工程师又对仿真学一无所知。即使面对一堆仿真结果(数据和报表)，他也很难做出决策。借助于虚拟现实技术，使得仿真具有交互功能和直观界面，系统仿真必将有更大的发展。
简单地说，VR是以仿真技术为基础的，仿真引擎是VR的核心。这里按虚拟系统建立的不同目的，可将其分为VR仿真系统和VR应用系统两类。如果目的在于研究具有不确定性的某一类系统的表现特征，重点关注仿真的过程及结果，要根据仿真的过程及结果来辅助决策，这样的VR系统我们称之为VR仿真系统；如果目的在于解决某种实际问题，一般只关心结果，这样的VR系统则可称之为VR应用系统，如影视效果的虚拟系统。当然在建设工程领域的VR都应属于VR仿真系统。
通过前面的讨论可以看出，VR系统虽然是多学科的综合体，但它是以仿真技术为核心的，所以也可把它看作是一种类型的仿真系统，无论是真实世界的还是虚构世界的仿真，虚拟现实可以看作是三维仿真模型的高级用户界面。
所以，要建成性能优良的虚拟建造系统的核心还是要进行合理的仿真建模和仿真算法设计。我们在建筑行业应用仿真技术已经有较长的历史，其主要应用在结构计算仿真和施工阶段的仿真。结构计算本身是通过本构、平衡和协调关系建立相关方程，所以可以顺理成章地建立起正确的数学模型用于仿真。施工过程的仿真一般采用离散事件建模分析，它涉及基础、结构和装饰工程施工等。在基础工程中，仿真系统主要针对土方施工、基坑支护结构施工、大体积混凝土施工等问题展开研究。例如：在土方施工的仿真系统中，建立的专用仿真模型有：现场数据模型、体积计算模型、施工方案模型、现场图形模型、输入输出模型、协调模型等。而结构工程施工中的仿真系统主要包括：施工方案、项目管理、机器人施工模拟等子系统。虚拟建造系统中的仿真还涉及到项目开发阶段。比如：建筑的建模仿真、规划设计过程仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。
六、建筑施工方案的虚拟仿真
建筑施工过程必须通过施工控制，保证建筑结构及其构件经过建造过程逐步加载后形成的最终状态符合设计状态。传统建筑施工技术以经验分析为主，有一定局限性。开发应用以结构仿真技术为核心的虚拟建造技术指导建筑施工，对施工过程中各种工况的结构应力、应变进行分析，制定安全可行的施工方案日趋必要。
建筑施工方案虚拟仿真系统是将仿真和虚拟技术应用于建筑施工领域。利用VR 技术建立虚拟模型，对施工方案进行模拟、验证、对比和优化， 进而采用数字化手段制定和修改施工方案，并逐步代替传统的施工方案编制方法。
使用虚拟现实技术对施工过程进行模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,实验多种施工方法,计算相应工况应力,对方案进行优化,这对以下几方面将产生重大意义。
(1) 建筑工程施工方案的选择和优化 建筑工程施工的施工方法及施工组织的选择和优化主要是建立在施工经验的基础上,存在一定局限性。同时,现代建筑基本都具有鲜明的个性,建筑工程施工成为不可完全重复的过程。使用施工虚拟仿真技术将可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果,可以定量地完成方案的对比,有助于施工方案的选择和优化,真正实现最优施工。
(2) 施工技术革新和新技术引入 施工虚拟仿真技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验施工新工艺和革新思路,有助于创造性的充分发挥,同时能真切展示新技术的成效,缩短建筑业新技术的引入期和推广期,降低新技术、新工艺的实验风险。
